第1章 微型能量采集技术
顾名思义，能量采集就是将周围环境的能量通过某种特定方式采集并转化成电能，供给传感器、集成电路芯片等器件使用。根据能量守恒定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，如果某种技术能够自动地对一种持续的能量源实现能量转化，就可以使特定能量采集器持续地输出电能，这种技术称为能量采集技术。
1.1 信息时代的能源危机
电能自第二次工业革命以来，彻底改变了人类的生产生活方式，极大地提升了生产力和生产效率，火力发电 (如煤和石油 )厂、水力发电站、核能发电站、风力发电厂、大型的输电网路和遍及家家户户的电力系统等已经成为世界各个国家和地区的核心基础设施，为社会的正常运转提供了基本保障。
进入21世纪以来，人类社会全面进入信息时代，电能的供给问题再次成为全社会的热点问题，一方面传统发电的弊端日益暴露，非可再生能源的日益枯竭以及发电站对生态环境的严重污染，困扰了人类的进一步发展。但这只是问题的冰山一角，随着诞生于20世纪50年代的微电子产业在摩尔定律的指引下迅猛发展，计算机、互联网等新兴产业彻底改变了世界格局，将许多电子设备以及传统意义上的巨型工作站模式过渡到个人化模式，越来越多的微型电子设备和系统进入了人类的生产和生活中，如图1.1所示。这些微型电子设备和系统与功耗高、数目有限的初代电子产品不同，它们具有体积小、功耗低、数量大、分布广等特点，这就对传统上相对集中和有线的供电模式提出了挑战 [1]，因为这些微型的电子器件或者系统需要长期持续稳定的低电量供给。目前它们主要依赖于各种分立的电池，但是电池的容量有限，而且频繁地更换电池或充电会对电子器件的使用造成极大的不便，此外，电池的回收处理也仍伴随着环境的污染等问题。
因此，围绕微型电子产品的供能问题，研究者开始研发微型能量采集技术，即采集器件或系统所处环境中的能量(如机械能、风能、水能、热能、太阳能等) 并将其转化为电能，直接为这些微型化的电子设备供能 [2，3]。虽然这些微型能量采集器输出的能量有限，但是对于当前诸多低功耗的微型电子设备所需要的电能来说，它们基本上在同一个数量级，能够满足这些微小型电子产品的能量需求。此外，由于微型能量采集器的尺寸很小，可以方便地与各种微型器件或系统进行集成，从而在确保能够维持系统长期稳定工作的同时又能够有效地减少整体的体积和重量，极大地提高了环境适应性和适用范围。因此，微型能量采集器的研究得到了国际学术界和产业界的极大关注。
图1.1 电子设备的发展趋势
1.2 常用的能量采集技术
自然界中存在多种形式的能量，如光能、热能、电磁波能、化学能、机械能等，可通过能量采集技术利用不同的能量转化原理，将每一种形式的能量转化成电能加以利用。
1.2.1 太阳能发电技术
太阳能是由太阳内部的氢原子发生核聚变产生的巨大核能，是地球能量的*主要来源。太阳能电池主要利用光伏效应，将太阳能中的光能部分转化为电能。该过程不会产生任何污染物质，绿色环保，是一种极有竞争力的能量采集技术。
太阳能电池的工作原理是基于半导体的光伏效应，如图1.2(a)所示。当太阳光中的光子发射到半导体 P-N结表面时，半导体将吸收光子的能量，从而产生电子-空穴对。材料内部的部分电子、空穴将复合，而在材料表面的电子和空穴则成功分离。此时将 P-N结的两端连接，非平衡下的电子-空穴对将形成光电流，从而将光能转化为电能。
太阳能电池的发展根据材料划分为三代，如图1.2(b)所示。第一代是以单晶硅、多晶硅为材料的传统太阳能电池。第二代是以非晶硅、CdTe等为主要功能材料的薄膜太阳能电池。第三代则以有机材料和新型无机材料为主要功能材料，如近年来效率迅猛提升的钙钛矿电池，目前第三代电池仍处于研发阶段，尚未完全商用。*新的研究趋势则是在上述材料的基础上添加光学聚焦元件来提升太阳能采集转换的效率。
图1.2 太阳能发电技术
太阳能电池研究领域*为关心的问题在于能量转化效率。截至目前，在已报道的数据中，能量*高转化效率达到了47.1%[4]，从理论上来分析，太阳能电池的效率仍有一定的提升空间。
然而，束缚太阳能电池应用的关键问题在于器件的工作对环境的依赖性很强。阴雨天气下，太阳能中的光能难以抵达日常的太阳能电池，从而导致太阳能电池无法工作，这种不确定性极大地降低了太阳能供电的可靠性和连续性。
1.2.2 热能发电技术
热能以多种形式广泛地存在于环境之中，如太阳能中的热能、地热、机器散热乃至人体热等。热电发电技术就是将这些环境中的热能转化为电能，常采用的原理一般有两种：热电效应和热释电效应。
热电效应，也称为塞贝克效应，主要借助空间中的温度差，将器件两端的温度差转化为电势差，在用导线连接之后会产生电流，采用这种原理的热电发电机又称为塞贝克发电机，如图1.3(a)所示。热电发电机的关键在于制备合适的热电材料。理想的热电材料要求电阻较小而热阻较大，以利于维持温度差而增强电流。常用的热电材料主要有 Bi2Te3、PbTe和SiGe，而这些材料往往价格昂贵，使得高性能热电发电机的成本居高不下。尽管有不少研究者利用纳米科学技术在一定程度上提高了材料的热电性能，但是微纳加工的高昂成本和不稳定性同样束缚着热电发电机的实用化。此外，因为日常生活中自然产生的温度差有限，所以热电发电机的效率很低，只能达到 8%。可见，高昂的成本和较低的能量转化效率是热电发电机发展的主要障碍。
图1.3 热电发电技术
热释电效应(见图1.3(b))是另一种常见的热能转化为电能的原理，它主要依靠时间上的温度差来进行能量转换 [5]。具有热释电效应的材料称为热释电材料，是压电材料的一种，一般情况下是不具有中心对称性的晶体。当热释电材料被加热或冷却时，温度的变化会改变晶体结构中的原子位置，从而产生极化。极化效应使得在晶体两端产生电势差。不同于热电效应，当外部温度不再变化后，此电势差会因为漏电流的原因而逐渐消失，因此热释电发电机从理论上来讲效率很高，但是为了保证热释电发电机稳定持续工作，需要外部环境周期性变化，而这种情况在日常生活中几乎不会自然存在。由于这种发电原理对环境的苛刻要求，到目前为止，仍没有一款热释电发电机真正实现商用。
1.2.3 生物化学能发电技术
生物体本身具有复杂多样的生物化学能，利用酶或微生物组织等作为催化剂，将生物质能转化为电能的发电器件统称为生物燃料电池。
生物燃料电池利用了燃料电池的工作原理，是一种将化学能转化为电能的设备，通常是将燃料和氧化剂进行氧化还原反应变为电能[6]，不同于电池需要将活性物质存储在器件内部，燃料电池本身并不包含活性物质，只是单纯的换能元件，燃料和氧化剂都由外部供给。因此，原则上只要反应物不断输入、反应产物不断排出，燃料电池就可以持续地将化学能转化为电能，从而实现持续稳定的能量供给。*典型的燃料电池以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，通过化学反应将化学能转化为电能，已经得到了广泛的应用。
生物燃料电池则以生物质直接作为燃料，如人体大量产生的各种酶、乙醇、乳酸、葡萄糖等，利用生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应，实现生物质能到电能的转化。
基于血糖的生物燃料电池 (见图1.4(a)[7])就是利用葡萄糖这种人体内广泛存在且蕴含较多能量的物质，在葡糖糖酶的催化下，葡萄糖在阳极被氧化失去电子，而氧气在阴极被还原变成水。从生物学上来看，基于血糖的生物燃料电池是模仿细胞中的线粒体的反应机制设计制成的，线粒体可以视为理想的葡萄糖基生物燃料电池。
除了血糖，人体汗液中的乳酸也是一种常见的生物燃料，基于汗液的生物燃料电池(见图1.4(b)[8])，在酶的作用下，乳酸分子失去电子成为丙酮酸盐，而阴极的金属氧化物经过还原反应变为金属单质，实现了生物质能向电能的转化。
图1.4 生物化学能发电技术
当前，生物燃料电池*大的优点是燃料来源丰富，但*大的问题是燃料的供给有限且不稳定。目前生物燃料电池的能量密度仅有几十微瓦每平方厘米。尽管此类燃料电池的燃料直接来自人体本身，便于采集，但是人体可以产生的酶等毕竟有限，而且受环境变化影响较大且很不稳定，因此生物燃料电池在能量供给的输出和长期稳定性上都存在很大挑战。
1.2.4 机械能发电技术
机械能是存在形式*为广泛的一种能量，大到自然界的海浪起伏，小到蝴蝶扇动翅膀，都是不同形式的机械能。图1.5为当前人类对能源的利用方式及效率。可以看出，绝大多数自然界存在的能量都通过机械能转化为电能，且具有非常高的转化效率。因此，机械能转化为电能是*受研究者关注的领域，无论是转化机理还是结构和材料都极为丰富。机械能的发电技术主要基于电磁感应效应、静电感应效应、压电效应、摩擦起电效应等。
图1.5 当前人类对能源的利用方式及效率
η. 能量转化效率
电磁感应效应是当前很多宏观发电机*主要的发电原理，即由磁通量的变化产生感应电动势，当闭合电路中的导体在外界机械能的作用下在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中便会产生电流，从而将磁铁运动的动能转化为电能。
静电感应式发电机是基于静电感应效应或者摩擦起电效应、由外界的机械运动引起电场分布的改变，从而实现机械能到电能的转换。
压电效应基于压电材料的特性，由于材料本身在晶格结构上无对称中心，在机械能作用下产生形变，会引起电极化强度的变化，进而形成电流。
摩擦起电效应则是基于摩擦等机械运动的过程中会在摩擦副表面产生表面电荷的分布和转移从而在外电路形成电流。
尽管以上感应原理都能将机械能转化为电能，但是转化之后的电能输出特点
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